HP34401A工作原理(维修手册部分翻译)

wbxms

根据E文维修手册(91-108页)大致翻译，供参考。全文约14，000字，分若干部分贴出。
专业英语晦涩难懂，仅仅是大致搞出来初步的意思，欢迎高手帮助订正。

第五章 工作原理

本章旨在描述在第9章中提供的每个电路，框图概述后面是本章更详细的原理图说明。

• 方框图  93

• 前后选择  94

• 功能开关  95

• 直流放大器  96

• 电阻电流源  98

• 交流电路  99

• A/D转换器  101

•浮地逻辑   103

• 实地参考逻辑  105

• 电源供应  106

• 前面板  107

自测试程序在第六章介绍

第六章 上电自检 （40楼）

待续。。

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强烈支持，持续等待学习。

wbxms

方框图

wbxms

方框图

参见第9-7页的框图，你会发现，万用表的电路分为两大块：浮地电路和接地（地线）参考电路。所有的测量，控制和显示功能包含在浮地部分。本部分包含了输入开关，功能选择和测量电路,它也包含了万用表的主CPU。

所有的测量设置和A-D转换都是在浮地部分进行。每一测量功能的输入被转换为±12V之间的直流电压。ADC（A-D转换）将变化的直流电压转换成一个数字信号。该数字信息被用于由主CPU来计算读数。（此时）调用存储的校正常数，并用于修正测量数据。修正后的读数，再格式化并发送到前面板显示处理器。校正后的读数，也可以发送到接地参考的I / O处理器，用于输出到远程接口（232或488接口）。

接地参考电路包括配置为主CPU的协作处理器。该处理器通过光电隔离串行通信链路建立与主CPU的外部I / O通信。接地参考处理器提供了GPIB（IEEE-488）和RS-232接口。它也处理外部触发和电压表完整的（测量完成的）握手信号。

浮动地和接地参考部分都有独立的电源提供。浮地部分前面板的逻辑电平，与浮地的主CPU（电平）是不同的。通过电平转换电路完成（两者）逻辑电平的转换。

这一句感觉表达的意思还是有问题，请高手指教：

The front panel operates from the floating section with its logic common different from the floating CPU logic common.

待编辑。。待校对。。。

wbxms

前/后（输入端子）选择

前/后输入端子选择原理图参看9-8页，该电路的作用是（通过开关S1）选择前面接线端子或后端子。S1的输出连接到功能开关电路（见9-9页）。输入保护电路设计用以保护由高能量瞬变诸如如静电放电或电源的输入瞬变对测量电路的危害。

输入部分双保险丝（F101，F102）的作用是防止意外输入过高容量电压源而超出后面板电流输入保险丝的250 V额定值造成潜在的灾难性的破坏。运放U110自举用以抵消由于CR100的漏电流引起的偏置电流误差。 CR100钳位电流输入保护R120和R121（0.1Ω和5.1Ω的分流电阻）免受当前输入的超载。

注意：只有通过前/后开关S1选定的前面板或后面板电流输入受F101和F102保护。未选中的输入端子不受F101和F102熔丝保护。

wbxms

功能开关

功能切换部分的作用（9-9页原理图上所示）是将输入HI端子连接到各种测量功能。这是通过K101，K102，K103和K104实现。下表列出了每个测量功能每个继电器的状态。 此外，4线欧姆Hi和LO检测端的连接输入也会列出。当前功能的分流器选择（档位）和电压检测也列出。下表显示了每个测量功能对应的各个继电器状态。继电器K101每个量程或功能改变时短时间打开。所有的继电器线圈是由U150的来驱动。

功能	K101	K102	K103	K104	检测来源：
0.1 –10 V DC	闭合	设置	设置	设置[1]	U101-5
100 –1000 V DC	闭合	设置	复位	设置	U102-12
2线电阻	闭合	复位	设置	复位[2]	U101-5
4线电阻	闭合	复位	设置	复位[2]	[3]
AC 电压	闭合	设置	复位	复位	AC_IN
频率/周期	闭合	设置	复位	复位	AC_IN
3 A, 1A DC I	闭合	复位	设置	复位	U101-10
100，10 mA DC I	闭合	设置	设置	复位	U101-10
3A, 1A AC I	闭合	复位	设置	设置	AC_IN

[1] 当通过菜单选择输入阻抗为>10,000MΩ，K104将被复位。

[2] k104将被设置为100MΩ档位。

[3] 配置显示的是电流源输出（HI）的端子。测量检测是通过Sense （检测）HI/ Sense LO端子完成的。

待编辑

cuison

支持！34401太经典了。

怡飞

楼主厉害 ，无私

xuplastic

我也翻译了一段，供参考：

参考9-7页的方框图，可以看到，万用表的电路分为了两个主要部分：浮地电路和接地电路。所有的测量，以及控制和显示功能都在浮地电路部分。此部分包括输入选择，功能选择和测量电路，还有万用表的主CPU。

所有的测量功能和模数转换都运行于浮地部分。各个测量功能负责将输入调理成±12V。模数转换器则负责将此模拟信号转换为数字信号。主CPU将此数字信号进行计算后得出读数。校准数据将修正读数。校准后的读数被格式化后送入前面板的处理器，然后显示在屏幕上。同时，校准后的读数也被送入接地参考的I / O处理器，用于输出到远程接口。

接地电路包括主CPU的从属处理器。该处理器通过光耦与主CPU串行通信。接地CPU提供了GPIB（IEEE-488）和RS-232接口。它也处理外部触发和测量完成的握手信号。


浮动部分和接地部分由各自的电源供电。前面板由浮地部分操作，他的逻辑公共端与浮地CPU是不同的。

wbxms

xuplastic 发表于 2013-12-26 13:15
我也翻译了一段，供参考：

参考9-7页的方框图，可以看到，万用表的电路分为了两个主要部分：浮地电路和 ...

谢谢楼上高手指教。部分错误已经做了修正。

xuplastic

wbxms 发表于 2013-12-26 13:57
谢谢楼上高手指教。部分错误已经做了修正。

最后一句话翻译反了，应该是“浮地电路受前面板操纵”

wbxms

DC放大器

直流放大器电路（电路图在第9-10页示出）用于除了频率和周期的所有测量功能。模拟开关U101B用于选择测量各种输入ADC的信号。开关U101B可动态地选择三个来源：测量当前输入值（MC），测量零输入值（MZ），和预充电值（PRE）。MC的状态是实际输入测量。MZ的状态是测量MC的同时测量内部的偏移电压。最终的测量结果是由MC-MZ计算得出。PRE状态用于给内部电容“预充电”，以减少从MC和MZ进行动态切换时注入输入端的电荷。自动归零关闭时禁用放大器输入进行的动态切换。然而，每当选择一个新的功能或档位时，即使自动调零是关闭的，一个新的MZ值也会自动采取。 [1]

    在直流电压功能，换档是通过两个输入完成--继电器开关（K101-K104）和固态开关（U101）。作为一个结果，在每个档位输入到ADC具有相同的满量程输入标称值10V。直流输入运算放大器是由源极跟随器双场效应管U104，放大器U106，以及相关的偏置电路组成。反馈电阻U102C和开关U101C为DC输入放大器电路选择增益为×1，×10，×100的非反相放大器。放大器的输出ADIN驱动直流输入到一个A-D转换器可用于所有的测量功能。

DCV档位	U102A分压器	U101输入	放大器增益	ADC输入
100 mV		5脚	×100	10 V
1 V		5脚	×10	10 V
10 V		5脚	×1	10 V
100 V	1/100	8脚	×10	10 V
1000 V	1/100	8脚	×1	10 V

[1]自动归零操作时，输入放大器的输出将继续循环从0 V（MZ）电平到MC放大的输入电平。自动归零可以从远程接口被禁用或者在前面板上使用单次触发（TRIGGER  SINGLE）的配置来暂停。

在DC电流功能，被测电流从I和LO端子之间输入。变换量程是通过继电器K102和U101中的放大器增益切换来实现。由于已知电阻（分流电阻）是连接这些端子之间，产生正比于未知电流的电压。在R121上的检测电压由万用表的直流电路测量。下表说明了直流电流测量功能的配置。

在DC电流功能，被测电流从I和LO端子之间输入。变换量程是通过继电器K102和U101中的放大器增益切换来实现。由于已知电阻（分流电阻）是连接这些端子之间，产生正比于未知电流的电压。在R121上的检测电压由万用表的直流电路测量而得出直流电流值。下表说明了直流电流测量功能的配置。

DCI档位	分流电阻	U101-10输入	放大器增益	ADC输入
3A	0.1Ω	300mV	×10	3V
1A	0.1Ω	100mV	×100	10V
100mA	5.1Ω	510mV	×10	5.1V
10mA	5.1Ω	51mV	×100	3.1V

电阻测量是通过将已知电流通过未知电阻来完成。未知电阻两端所产生的电压降，然后通过万用表的直流电路测量而得出电阻值。100MΩ档位是利用已知的内部10MΩ电阻（U102A）与未知的输入电阻并联，同时使用了500 nA电流源测量，从测得的数据计算出来待测电阻。 每当进行零点校准时内部10MΩ电阻（重新）测定。

在两线欧姆功能，电压降在输入HI和LO输入端测量。在4线欧姆功能，电压在Hi检测和LO检测端子间测量。最后测量的值并不包含串联在电流源（输入HI-LO）中的引线电阻。然而，他们确实减少了可用的电流源下测试电阻的恒压性。当超出恒流输出电压限制时欧姆电流源将成为非线性。每个电阻档位满刻度电压降和直流放大器增益列于下表。

电阻档位	R两端的电压	放大器增益	ADC输入
100Ω	100mV	×100	10V
1kΩ-100kΩ	1V	×10	10V
1MΩ	5V	×1	5V
10MΩ	5V	×1	5V
100MΩ	4.5V	×1	4.5V

待编辑。。。
待校对。。。。

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电阻电流源

欧姆电流源（9-10页的原理图所示），2线和4线欧姆功能都是从输入HI端子流入输入LO端子。每个电流值是通过强制一个稳定，精确的电压在一个稳定的电阻上产生的。电流的值变成校准过程中存储的档位的增益常数的一部分。7 V的参考电压被用来与U201A产生一个稳定的参考电流。R201和R202是下表所示电流源的参考电阻。IREF的电流用于产生在U102D-4内部加在28.57kΩ电阻上精确的电压。利用R202产生的Iref(参考电流)在28.57K电阻两端产生约5V的压降。（The IREF generated using R202 produces an approximate 5 V drop across the 28.57 kΩ resistor. ）利用R201产生的Iref(参考电流)在电阻两端产生约0.5V的压降。The IREF generated using R201 produces an approximate 0.5 V drop.该电压是用于由U201B强制一个参考电压在选定的电流源量程电阻（5KΩ，50KΩ，500KΩ，1MΩ）。由此产生的精密电流流过JFET Q202和保护电路Q203到Q211，和CR202到继电器K102在那里它被接通到为欧姆测量的输入HI端子。

保护电路设计用以当不经意间施加电压超过±1000 V时保护欧姆电流源。正高电压保护是由CR202的反向击穿电压提供。负高电压保护，由Q203，Q205，Q207，Q209集电极到的基极击穿电压的总和提供的。当负过压出现时，晶体管Q211和R203 到R206四个196k电阻提供这些晶体管的偏置。

电阻档位	电流	开路电压	标称极限	基准	电流源电阻U102d
100Ω	1mA	9V	2.5V	R202	5kΩ
1kΩ	1mA	9V	2.5V	R202	5kΩ
10kΩ	100μA	9V	4V	R202	50kΩ
100kΩ	10μA	9V	4V	R202	500kΩ
1MΩ	5μA	9V	8V	R202	1MΩ
10MΩ	500nA	14V	10V	R201	1MΩ
100MΩ[1]	500nA[1]	5V		R201	1MΩ

[1] 测量时与内部10MΩ电阻并联。

待编辑。。

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交流电路

参考9-11页的图，万用表使用真有效值AC_DC转换器测量交流电压和电流。真有效值AC_DC转换器将输入的交流电压转换为直流电压。所有的电压档位是在交流电路中执行，使得输入到万用表的直流电路（AC_OUT）的标称值为满量程2伏的的交流输入。在交流功能（电压，电流，频率和周期）时的直流放大器总是配置为×1增益。继电器K104连接的交流电路中是输入HI端子或R121之一，当前功能电压采样点。请注意，输入到交流电路可以包含来自所施加的交流信号中的直流偏置。

输入信号的输入耦合电容C301去掉其中的DC部分。仅留下输入信号的交流分量由万用表测量。在交流电路中电压档位包括两个增益级U301和U305/U312。每步的电压增益列于下表。

功能	档位	第一步	第二步	ADC输入
交流电压，频率或周期	100mV	×0.2	×100	2VDC
	1V	×0.2	×10	2 VDC
	10V	×0.2	×1	2 VDC
	100V	×0.002	×10	2 VDC
	700V	×0.002	×1	1.4 VDC
交流电流	3A	×0.2	×10	0.6 VDC
	1A	×0.2	×100	2 VDC

第一步是一个补偿衰减器通过选定U304A和U304D实现×0.2或×0.002的增益。每个电压档位具有一个独有的通过可编程可变电容器两端连接R304进行校正的50 kHz的频率响应。

可编程电容是由一个补偿电容器两端改变的信号电平来实现的。在X0.2的配置，低频增益是由R301，R302，R304和设置。可变增益单元U302/U303实质上分256步改变C306的值从0到1。确切的增益常数是50 kHz的交流电压范围校准过程中确定的。在×0.002配置，低频增益是由R301，R302，和R303设置。可变增益U302/U303基本上变化C305 加C306的值1倍从0到256步。精确增益常数是50 kHz的交流电压档位校准过程中确定的。

第二步是由两个放大器（U305和U312）组成，每个配置为10倍的固定增益。第二阶放大器的所有增益，一倍、十倍和一百倍增益都是由第一阶放大器的输出接入路径不同而产生的，可以是不接入某个放大器，也可以是接入一个或两个如下表所示的放大器。（Overall 2nd stage gains of ×1, ×10, and ×100 are produced by routing the 1st stage output either around, or through one or both amplifiers as shown in the table below.）

第二步骤增益	U306A	U306B	U306C	U306D	U304C
×1	开	关	关	关	关
×10	关	开	关	开	关
×100	关	关	开	开	开

在第二级的输出端被连接到RMS-DC转换器的阶段。任何放大器级的残留直流偏移被电容器C316阻止通过。缓冲器U307驱动输入到RMS-DC转换器以及频率比较器（U310A）的输入。对于U308的模拟计算机电路，RMS-DC转换器有两个可选的平均滤波器（C318和C318 +C321）。两个模拟平均滤波器一起运行在主CPU数字滤波器实现三个可选AC过滤器：慢速，中速和快速。更快的模拟滤波器（使用C318）用于所有AC V，AC I和频率或周期自动量程。较慢的模拟滤波器仅用于慢速和中速交流滤波器的选择。

在频率或周期测量时, U310A对每个输入过零点产生一个逻辑信号（FREQIN）。交流部分FREQRNG直流输出直接由主CPU的10位ADC在频率或周期测量计量。这种较低的分辨率测量就足以对这些功能进行电压量程的决定。当交流电压和电流测量过程中由U310B迫使U310A的输入到-15伏，频率比较器输出被禁用。

待编辑。。。

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AD转换器

A-D转换器（ADC），用于将直流电压转换成数字信息（第9-12页上的原理图所示）。该电路包括一个积分放大器（U402以及U420），电流转向开关U411，电阻网络U102E，电压基准U403，ADC控制器U501，以及剩余ADC U500。

34401A ADC所使用的方法被称为多斜三。它是基于安捷伦专利的ADC技术。多斜III是一种电荷均衡连续集成A-D转换器。该ADC电荷平衡算法总是处于运行状态，即使在万用表不会被触发。输入电压不断通过U102E-R16强制充电到积分电容C400和C401。

开关U411A和U411B引导固定的正的或负的参考电流到积分电容取消，或平衡，积累输入充电。电平移位（R403和R406）输出的积分器是由U501 COMP输入2.66微秒检查每一次。逻辑状态机U501控制U411当前的转向持续寻求一个近似2.5 V电平上的积分放大器的输出，瞬间。如果ADC输入电压ADIN是在±15 V之内，积分器的输出（瞬间）将维持U500的片内ADC在0 V至5 V范围内。输入大于15 V可以使积分器输出（U402-6）饱和在约-18 V。输入小于-15 V可能会导致U402饱和约+18 V的输出。U500 的ADC输入（瞬间）由R405和CR403被钳位在0 V或5V以保护U500。

积分放大器是由U402和U420形成。电阻R420和R421影响放大器的稳定性。 如果它们的值不正确，放大器可能会出现振荡。放大器U420提高了积分器的放大器U402的偏移电压特性。

当电表被触发时每个A-D的转换开始。ADC通过清除U501中的积分斜率计数开始。在积分周期结束时，斜率计数被锁存。斜率计数提供了输入电压转换的最高位。最低有效位由CPU U500的片内的ADC转换。

该仪器精密基准电压源是U403（LM399）。电阻R409为基准的齐纳二极管提供了一个稳定的偏置电流。 R408和CR404提供一个偏压，以确保该基准齐纳在电源接通时偏压到为+7 V。IC U400A放大电压基准至+10 V，而放大器U401A反转+10 V为-10 V。该参考电压精度迫使斜率电流通过U102E-R17，R18的积分ADC。放大器U401B为U500的片内ADC提供一个精确的+5 V基准。该参考电压通过U102E-R17，R18精确控制积分ADC的斜坡电流。

待编辑。。。

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浮地逻辑

参见第9-13页上显示的原理图，浮地的通用逻辑控制整个仪器的操作。所有的测量控制和总线命令解释由主CPU U500执行。前面板和接地参考处理器协从主CPU  U500运行。浮动地逻辑是由主CPU U500，定制门阵列U501，程序ROM U502，U503的RAM，校准EERAM U505，以及12 MHz时钟振荡器U405组成。上电复位是由电压调节器U553提供给主CPU。主CPU U500，是包含这种接收和发送串口，定时器/计数器接口，一个8位的脉宽调制DAC端口和可选输入A-D转换器端口的10位逐次逼近型功能16位微控制器。常规的地址/数据总线用于传送CPU与外部ROM和RAM之间的数据。当地址锁存启用（ALE）信号变为高电平时，地址数据存在的地址/数据总线上。定制门阵列U501锁存地址数据和解码正确的芯片使能（低电平有效）外部ROM和RAM的访问和读/写访问U501的内部寄存器。系统内存映射如下所示。

0000H-1FF7H	U503 8k×8RAM
1FF8H-1FFFH	U501门阵列
2000H-FFFFh	U502程序ROM

程序ROM U502配备四个64K×8的逻辑储存库数据。逻辑储存库通过从控制A16和A17 ROM地址位直接选择CPU端口位。

定制门阵列U501执行地址锁存和存储器映射解码功能，如上所述。另外，U501包含各种内部读/写寄存器。当U501被寻址时，读或写信号将数据传输入或输出。（The read (XRD) and write (XWR) signals transfer data out of and in to U501 when it is addressed. ）有四个内部寄存器在U501：一个内部配置寄存器，一个8位计数器寄存器，一个串行发送/接收寄存器，以及一个内部状态寄存器。

计数器寄存器是用来捕获要么ADC斜率计数在COMP输入，要么频率计数在FREQIN输入。COMP输入功能既是一个时钟比较器也是ADC的斜率计数器输入。在这两种情况下，计数器寄存器捕捉24位计数器的较低8位。计数的较高16位由SYNC输入到U500捕捉。串行寄存器是用来从主CPU发送和接收串行数据字节到40位（5×8比特）。测量配置寄存器由U309，U311，U150，和U101组成，与前面板处理器进行通信。串行寄存器复用这两个电路。传输速率被选择为1.5兆比特/秒的（测量配置寄存器）和93.75 k位/秒（与前面板处理器通信）。

一般的串行接口是一个3比特的接口，如下所示。

U501信号	测量配置信号	前面板信号
串行时钟	SERCK	XFPSK
数据出（发送）	SERDAT0	FPDI
数据入（收到）	SERRBK	FPDO

串行数据同时接收串行数据的同步输出。测量配置回读数据（SERRBK）只在自测试操作过程中检查。每当一个数据字节被从U501发送时，前面板的数据双向交换交换。该测量配置寄存器数据由U500的信号SERSTB选通到输出。从前面板的中断由U501检测信号并且通过CHINT通知给处理器。The processor line FPINT signals the front panel processor that U501 has data to send.

门阵列（U501）内部状态寄存器报告一个串行端口忙位和4位的时间内插数据。时间插值数据是在ADC转换和频率测量时用于扩展处理器U500的时间计数分辨率。

万用表的校准校正数据存储在一个128 x 16位非易失性电可擦除RAM，EERAM U505。该EERAM读/写数据是由U500控制的一个4位串行协议进行访问。主处理器具有一个片内10位逐次逼近型ADC有两个可选的输入：FLASH和FREQRNG。FLASH输入用于主集成U402的ADC输出的残余电荷的采样。FREQRNG输入用于使电压范围决定并发与频率或周期的测量。

主CPU的脉宽调制的DAC通过 R507和C512滤波23 kHz后输出0到5V直流电平。这一级是用来调整在U101中的预充电放大器的偏移电压。端口位也被配置成检测前/后输入开关位置（FXR0）和测量输入电源线频率（LSENSE）。从55赫兹到66赫兹的频率测量为60赫兹。所有其他的输入频率被假定为50赫兹。

主CPU通过光隔离（U506和U704）异步串行连接与接地参考处理器U700通信。数据以187.5 k比特/秒的速率发送一个11位的帧。当选择RS-232接口时，数据通过隔离链接按93.75千位/秒的速度发送。 11位数据帧被配置为一个起始位，8个数据位，一个控制位，和一个停止位。

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接地参考逻辑

接地参考逻辑电路（9-14页的原理图所示）提供所有的后面板输入/输出功能。微处理器U700通过总线接口芯片U701和总线接收器/驱动器芯片U702及U703控制GPIB（IEEE-488）。RS-232接口也通过U700控制。RS-232收发器芯片U706提供所需的电平转换，用电容器C708和C709通过片内电荷泵电源近似±9伏的逻辑电平。

接地参考逻辑接口电路和浮地测量逻辑之间的通信通过一个光隔离的双向串行接口来完成。成对数据从U700到微处理器U501由U506隔离。成对数据从U501到微处理器U700由U704隔离。

待编辑。。

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电源供应

参见第9-15页上显示的原理图，万用表使用两个电源类型：浮地电源和接地参考电源。浮地电源输出为±18V（译者注：实际上34401内部还有±15V的电源，是由±18V分别通过3.3V的稳压二极管降压生成的），+5V和5 Vrms的中心抽头灯丝电源的VFD（灯丝）交流电源。接地参考电路由一个单一的+5 VDC电源供电。

AC电源由模块P1连接。该模块包括电源连接的功能，开/关切换，和线路电压选择（100/120/220/240）。万用表通过计算钳位电路CR554 ，R555，C555（LSENSE）的输出的频率，自动配置为实际应用的电源频率。

5V浮地电源是通过整流桥CR552，滤波电容C556，和调节器U553产生的。当不稳压DC输入稳压低于5.5伏时，U553的复位输出将变为逻辑LO。XPONRST是仪器主硬件复位信号。这种电源供应所有浮地逻辑。继电器驱动电路也采用从这个供应。

浮地±18伏电源是由桥式整流CR551，滤波电容C551和C553，以及稳压器U551和U552产生。这些电源被用于所有的测量电路供电。此外，VFD，用±18伏电源驱动。一个单独的T1绕组为显示屏提供了一个中心抽头5 Vrms的灯丝电源的。偏置电路CR556，R556和C559生成显示屏灯丝电源所需的阴极直流偏置。

5V接地参考电源由整流CR751，C752，以及调节器U751产生。该电源是由PC板到仪器机箱的螺丝连接到接地参考。GPIB（IEEE-488）和RS-232以及其他输入/输出接口电路从该处供电。

待编辑。。。